
- •Лабораторна робота №7 дослідження трифазних випрямлячів і однофазного автономного інвертора
- •Зміст звіту про лабораторну роботу
- •Промислова електроніка і мікросхемотехніка:
- •(Для студентів, які навчаються за напрямами ”Електромеханіка” та ”Електротехніка”)
- •Підп. До друку 03.09.2007 Формат 60х84 1/16 Папір офісний
- •Харківська національна академія міського господарства
- •61002, Харків, вул. Революції, 12
ЧАСТИНА ТРЕТЯ
Перетворювальні пристрої
Лабораторна робота № 6
ДОСЛІДЖЕННЯ ОДНОФАЗНИХ випрямлячів
1. МЕТА РОБОТИ
1) Дослідження однофазних схем випрямлення.
2) Дослідження однофазних випрямлячів з пасивними фільтрами і компенсаційним стабілізатором.
3) Дослідження однофазного керованого випрямляча.
2. ОБЛАДНАННЯ
1) Стенд лабораторний № 5, 6.
2) Осцилограф C1-93 (C1-83).
3. ЗМІСТ РОБОТИ
1) Дослідити роботу однопівперіодної і мостової однофазних схем випрямлення при роботі на активне навантаження.
2) Дослідити роботу однопівперіодного і мостового однофазних випрямлячів з ємнісним, індуктивним, індуктивно-ємнісними Г-подібним і П-подібним фільтрами та з компенсаційним стабілізатором.
3) Дослідити роботу однофазного керованого випрямляча з нульовим виводом.
4. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
4.1. Ознайомитись з робочим місцем устаткуванням і приладами.
4.2. Ввімкнути осцилограф та живлення стенда лабораторного. Тумблер у середній частині лицьової панелі стенда (між мнемосхемами) встановити у праве положення.
4.3. Дослідження однопівперіодної і мостової
схем випрямлення при роботі на активне навантаження
4.3.1. Дослідження виконувати за допомогою схеми, наведеної на рис. 6.1 (верхня мнемосхема на правій половині лицьової панелі стенда лабораторного).
Перемикач „Рег. выпр.” встановити у ненатиснуте положення.
Рис.
6.1 - Схема для дослідження однофазних
некерованих випрямлячів
4.3.3. Замалювати осцилограму напруги на навантаженні однопівперіодного випрямляча, для чого кабель першого каналу осцилографа підімкнути нульовим проводом до клеми Х1, а сигнальним до клеми Х3.
Замалювати осцилограму напруги на вентилі (діоді) однопівперіодного випрямляча, для чого кабель першого каналу осцилографа підімкнути нульовим проводом до клеми Х2, а сигнальним до клеми Х1.
При виконанні дослідів органи керування осцилографа встановлювати у положення, що забезпечують спостереження стійкого, зручного для вимірів зображення.
4.3.4. Зібрати мостову схему випрямлення, для чого перемикач SA1 встановити у натиснуте положення, а інші перемикачі – згідно з пп. 4.3.2.
4.3.5. Замалювати осцилограми напруг на навантаженні і діоді мостового випрямляча, використовуючи методику, викладену в пп. 4.3.3.
4.4. Дослідження однопівперіодного і мостового випрямлячів
з різними типами фільтрів та з стабілізатором
4.4.1. Зняти залежність вихідної напруги однопівперіодного і мостового випрямлячів від струму навантаження для різних типів фільтрів і з стабілізатором (зовнішні характеристики), для чого:
1) значення струму навантаження задавати резистором Rн за амперметром РА, встановленим на лицьовій панелі стенда лабораторного;
2) значення вихідної напруги фіксувати за вольтметром PV, встановленим на лицьовій панелі;
3) перемикачі SA1–SA5 встановлювати згідно з табл. 6.1;
4) результати занести у табл. 6.2.
Примітки.
|
1. У табл. 6.1 знак “Х” відповідає натиснутому положенню перемикача. 2. У табл. 6.2 позиції, що відповідають значенням струму навантаження, які не можуть бути встановлені за допомогою резистора Rн, не заповнювати. |
|||
|
|
|
||
|
||||
|
|
|||
|
|
|||
|
|
|||
|
|
|||
|
|
|||
|
|
|||
|
|
|||
|
|
|||
|
|
|||
|
|
|||
|
|
Тип випрямляча |
Положення перемикачів |
Тип фільтра |
||||
SA1 |
SA2 |
SA3 |
SA4 |
SA5 |
||
однопівперіодний |
|
Х |
|
|
|
без фільтра |
|
Х |
|
Х |
Х |
С |
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
Х |
LС |
|
|
|
|
Х |
Х |
СLС |
|
мостовий |
Х |
Х |
|
|
|
без фільтра |
Х |
Х |
|
Х |
Х |
С |
|
Х |
|
|
|
|
L |
|
Х |
|
|
|
Х |
LС |
|
Х |
|
|
Х |
Х |
СLС |
|
мостовий з стабілізатором |
Х |
|
Х |
Х |
Х |
СLС |
Таблиця 6.1 - Положення перемикачів при дослідженнях
4.4.2. Зняти осцилограми напруги на навантаженні однопівперіодного і мостового випрямлячів з ємнісним та індуктивним фільтрами, а також мостового випрямляча з П-подібним CLC-фільтром і з CLС-фильтром та стабілізатором. Для цього кабель першого каналу осцилографа нульовим проводом підімкнути до клеми Х1, а сигнальним до Х3. Тип фільтра задавати установкою перемикачів згідно табл. 6.1.
Таблиця 6.2 - Результати зняття зовнішніх характеристик
Iн, А |
0,1 |
0,15 |
0,2 |
0,3 |
0,35 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
Тип випрямляча |
||
Ud,B |
Тип фільтра |
без фільтра |
|
|
|
|
|
|
|
|
одно-півперіодний |
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
LC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
CLC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
без фільтра |
|
|
|
|
|
|
|
|
мостовий |
||
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
LC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
CLC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
CLC |
|
|
|
|
|
|
|
|
мостовий з стабілізатором |
||
*) LC (α=30о) |
|
|
|
|
|
|
|
|
керований з нульовим виводом |
||
*) LC (α=60о) |
|
|
|
|
|
|
|
|
*) Строки, помічені цим знаком, заповнюються при виконанні завдання пп. 4.5.3.
4.5. Дослідження керованого випрямляча з нульовим виводом
4.5.1. Дослідження виконувати за допомогою схеми, наведеної на рис. 6.2 (нижня мнемосхема на правій половині лицьової панелі стенда лабораторного).
Перемикач “Peг. выпр.” установити в натиснуте положення.
Перемикач SA встановити у ненатиснуте положення (відключення фільтра).
4.5.2. Замалювати осцилограми напруг для кута керування α=60о:
1) на вторинній обмотці трансформатора, для чого підімкнути кабель першого каналу осцилографа до клеми X1 нульовим проводом, а до клеми Х2 сигнальним;
2) на навантаженні – клеми X1 і Х5 відповідно;
Рис. 6.2 - Схема для дослідження однофазного некерованого випрямляча з нульовим виводом
3) на тиристорі – клеми Х3 і Х2;
4) на керуючому електроді тиристора – клеми Х3 і Х4.
Значення кута керування задавати встановленням у натиснуте положення відповідної кнопки перемикача „α” системи керування СУ.
4.5.3. Зняти зовнішню характеристику випрямляча з Г-подібним LC-фільтром при кутах керування α = 30о і α = 60о, для чого:
1) підімкнути фільтр, встановивши перемикач SА у натиснуте положення;
2) значення кута керування задавати натисканням відповідної кнопки перемикача „α” системи керування СУ;
3) значення струму навантаження задавати резистором Rн за амперметром РА;
4) значення напруги на навантаженні фіксувати за вольтметром PV2;
5) результати експерименту занести в табл. 6.2.
4.5.4. Зняти залежність вихідної напруги випрямляча від кута керування (регулювальну характеристику) при роботі на активне навантаження, для чого:
1) перемикач SA встановити у ненатиснуте положення;
2) значення кута керування задавати перемикачем “α” системи керування СУ;
3) результати експерименту занести в табл. 6.3.
Таблиця 6.3 – регулювальна характеристика керованого випрямляча
-
α, град
0
30
60
90
120
Ud, B
4.6. Вимкнути живлення осцилографа і стенда лабораторного. Навести порядок на робочому місці.
4.7. Обробка результатів експериментів
4.7.1. У звіті про лабораторну роботу осцилограми розташовувати одну під одною з урахуванням орієнтації відносно осцилограми напруги на вторинній обмотці трансформатора.
За осцилограмами з пп. 4.3.3 та пп. 4.3.5 зробити висновки щодо характеру вихідної напруги досліджуваних схем випрямлення і значень зворотної напруги на діодах.
4.7.2. За даними табл. 6.2 у одній системі координат побудувати зовнішні характеристики однопівперіодного і мостового випрямлячів для різних типів фільтрів та мостового випрямляча з стабілізатором.
Аналізуючи побудовані характеристики, зробити висновки про вплив на значення вихідної напруги випрямляча:
1) схеми випрямлення (типу вентильної схеми);
2) ємнісного фільтра;
3) індуктивного фільтра;
4) наявності у складі випрямляча стабілізатора.
4.7.3. За осцилограмами пп. 4.4.2 визначити розмах пульсацій напруги для кожного випадку і зробити висновки про вплив типу фільтра на характер пульсацій і про вплив стабілізатора на їхнє значення.
4.7.4. За даними табл. 6.2 у одній системі координат побудувати зовнішні характеристики керованого випрямляча для різних кутів керування.
4.7.5. За даними табл. 6.3 побудувати регулювальну характеристику керованого випрямляча.
4.7.6. На основі аналізу осцилограм за пп. 4.5.2 і характеристик, побудованих за пп. 4.7.4 і 4.7.5, зробити висновки про те, за рахунок чого здійснюється регулювання середнього значення вихідної напруги керованого випрямляча і чому регулювальна характеристика має нелінійний характер.
ПОЯСНЕННЯ ДО РОБОТИ
5.1. Випрямлячі
Електрична енергія централізовано, в основному, виробляється на змінному струмі.
В той же час споживання електричної енергії, за винятком теплових та освітлювальних установок, двигунів змінного струму та деяких інших застосувань, як правило, відбувається на постійному струмі: електричні двигуни постійного струму, технологічні процеси (наприклад, електроліз, зварювання), живлення електронних пристроїв (наприклад, вимірювальних, підсилюючих, обчислювальних, керуючих і т.п.).
Виходячи з цього, одним з основних видів перетворення електричної енергії є випрямлення.
Випрямлячем називають електротехнічний пристрій, призначений для перетворення енергії джерела напруги змінного струму в енергію напруги постійного струму.
Випрямляч зазвичай містить трансформатор, вентильну схему, згладжуючий фільтр, регулятор (стабілізатор). Навантаження також відносять до складу випрямляча, оскільки воно суттєво впливає на його роботу.
Трансформатор здійснює перетворення напруги мережі до необхідного для роботи випрямляча значення і забезпечує електричне (гальванічне) розділення первинного і вторинного кіл. Останнє забезпечує умови електричної безпеки за живлення.
Вентильна схема перетворює змінну напругу на випрямлену – в однополярну пульсуючу.
Згладжуючий фільтр виділяє з однополярної пульсуючої напруги постійну складову, чим забезпечує отримання власне напруги постійного струму.
Регулятор (стабілізатор) призначений для завдання на навантаженні необхідного значення напруги або його зміни за необхідним законом (наприклад, підтримки напруги на навантаженні на незмінному рівні) при змінах напруги мережі або змінах опору навантаження у заданих межах.
5.2. Однофазні схеми випрямлення
При потужності споживачів до декількох сотень ват випрямлення здійснюють за допомогою однофазних схем: однопівперіодної і двопівперіодних – з нульовим виводом і мостової.
Рис.
6.3 – Однофазний
однопівперіодний випрямляч (а)
і часові діаграми його роботи (б)
Часові
діаграми тут і надалі, як правило
показують залежність відповідної
величини від
,
де
– кругова частота,
– частота мережі живлення, а t
– час.
Струм у схемі протікає тільки при полярності напруги U2, зазначеної без дужок, коли діод VD відкритий. При протилежній полярності діод закритий, і вся напруга прикладається до нього.
Двопівперіодна схема випрямляча з нульовим виводом та часові діаграми його роботи наведені на рис. 6.4.
Рис.
6.4 – Однофазний
випрямляч з нульовим виводом (а) і
часові
діаграми
його роботи
(б)
Максимальна зворотна напруга на закритому діоді дорівнює сумі амплітуд напруг U21 і U22, тобто подвійній амплітуді напруги півобмотки трансформатора, оскільки коли один діод відкритий, а інший закритий, то останній виявляється підімкненим до двох півобмоток трансформатора.
Рис.
6.5 – Однофазний мостовий випрямляч
(а)
і часові діаграми його роботи (б)
У цій схемі до однієї діагоналі утвореного діодами моста – діагоналі змінного струму – підімкнено вторинну обмотку трансформатора, а до іншої – діагоналі постійного струму – навантаження. Діоди VD1 і VD3 складають катодну групу, a VD2 і VD4 – анодну (за ознакою з’єднання разом однакових електродів).
За позитивної півхвилі напруги U2 (полярність зазначена без дужок) струм протікає через діоди VD1 і VD4. До діодів VD2 і VD3 у цей час прикладена зворотна напруга, амплітудне значення якої дорівнює U2m, тому що закритий діод (наприклад, VD2) через діод, що проводить струм (VD4), підмикається паралельно до вторинної обмотки трансформатора. За негативної півхвилі (полярність зазначена у дужках) струм проводять діоди VD2 і VD3, тобто у провідному стані в мостовому випрямлячі завжди знаходяться два діоди – один катодної групи і один анодної.
Основні показники однофазних схем випрямлення наведені в табл. 6.4.
Таблиця 6.4 – Основні показники однофазних схем випрямлення
Параметр |
Схема випрямлення |
|||
однопів-періодна |
двопів-періодна з нульовим виводом |
двопів-періодна мостова |
||
Відношення діючого значення напруги вторинної обмотки трансформатора до середнього значення випрямленої напруги |
|
2,22 |
1,11 |
1,11 |
Відношення діючого значення струму вторинної обмотки трансформатора до середнього значення випрямленого струму |
|
1,57 |
0,785 |
1,11 |
Відношення середнього значення струму діода до середнього значення випрямленого струму |
|
1,57 |
0,5 |
0,5 |
Відношення діючого значення струму первинної обмотки трансформатора до середнього значення випрямленого струму (n - коефіцієнт трансформації) |
|
1,21 |
1,11 |
1,11 |
Частота основної гармоніки пульсацій |
|
|
|
|
Коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги |
|
1,57 |
0,667 |
0,667 |
Габаритна потужність трансформатора |
|
3,1 |
1,48 |
1,23 |
Наявність підмагнічуванння |
– |
є |
немає |
немає |
Порівняльний аналіз однофазних схем випрямлення показує:
1) однопівперіодна схема, у зв’язку з підвищеною габаритною потужністю трансформатора (бо його осердя підмагнічується через протікання струму у вторинній обмотці в одному напрямку протягом періоду) і значним коефіцієнтом пульсацій, застосовується тільки для живлення навантажень малої потужності – десятки міліват;
2) схема з нульовим виводом має кращі параметри вихідної напруги і два діоди, але трансформатор повинен мати вторинну обмотку, що складається з двох однакових півобмоток, і на закритий діод діє подвійна зворотна напруга;
3) мостова схема, що має чотири діоди і трансформатор з однією вторинною обмоткою, забезпечує ті ж параметри вихідної напруги, що й схема з нульовим виводом (оскільки габарити і вартість діодів невеликі, їхня подвоєна кількість не є істотним недоліком, окрім випадків випрямлення малих значень напруг – одиниці вольт, – коли істотно проявляється дія прямого падіння напруги на діодах).
5.2. Згладжуючі фільтри
Згладжуючий фільтр застосовується для згладжування пульсацій випрямленої напруги до рівня, необхідного для нормальної роботи навантаження.
При цьому коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги визначається як відношення амплітуди основної гармоніки пульсацій Um(1) до значення постійної складової
. (6.1)
Якість фільтра характеризується коефіцієнтом згладжування, що дорівнює відношенню коефіцієнта пульсацій на вході фільтра Кп(1)вх до коефіцієнта пульсацій на його виході Кп(1)вих:
.
(6.2)
Фільтри бувають пасивними (виконуються на пасивних елементах – резисторах, конденсаторах, дроселях) і активними (на транзисторах, операційних підсилювачах).
Пасивні фільтри використовують здатність індуктивностей і ємностей накопичувати енергію відповідно електричного та електромагнітного полів.
Індуктивні фільтри застосовуються у випрямлячах середньої і великої потужності, тому що забезпечують безперервність струму в схемі: у навантаженні, трансформаторі, діодах (бо відповідно до першого закону комутації струм у індуктивності не може змінюватися стрибком).
Схема індуктивного фільтра і часові діаграми його роботи при фільтрації двопівперіодної напруги наведені на рис. 6.6.
Рис.
6.6 – Індуктивний фільтр (а) і часові
діаграми роботи (б) однофазного
двопівперіодного випрямляча з індуктивним
фільтром (з активно-індуктивним
навантаженням)
Отже для ефективного згладжування необхідним є виконання умови:
, (6.3)
де
.
У якості індуктивності в випрямлячах використовують дроселі – котушки індуктивності з магнітним осердям, що має повітряний зазор, який запобігає насиченню магнітопроводу.
Ємнісний фільтр – це конденсатор, що вмикається паралельно навантаженню. Його схема і часові діаграми роботи наведені на рис. 6.7.
Рис.
6.7 – Ємнісний фільтр (а) і часові діаграми
роботи (б) мостового випрямляча
з ємнісним фільтром
(з активно-ємнісним навантаженням)
.
(
6.4)
Заряд конденсатора відбувається у проміжки часу, коли напруга вторинної обмотки перевищує напругу на конденсаторі (протікає струм через відповідні вентилі). Якщо вона нижче, то навантаження живиться енергією, що запасена в ємності (конденсатор розряджається).
Струм
заряду, значення якого обмежується лише
опором елементів схеми випрямлення,
має пульсуючий характер, що несприятливо
як для діодів і трансформатора, так і
для мережі живлення. Тому ємнісні фільтри
застосовуються при малих струмах
навантаження. Іноді, щоб обмежити кидки
струму, у коло заряду включають опір
.
Слід
також зазначити, що чим більша постійна
часу розряду конденсатора
,
тим вище середнє значення випрямленої
напруги, що наближається до величини
.
Рис.
6.8 - г-подібні
LC-фільтри:
одноланковий
(а)
і
дволанковий
(б)
Тут конденсатор знижує опір навантаження за змінним струмом, а індуктивність, окрім фільтрації, забезпечує і безперервність струму.
Для одержання кращого згладжування випрямленої напруги при забезпеченні прийнятних значень параметрів елементів фільтра застосовують багатоланкові фільтри, що являють собою послідовне вмикання простих фільтрів (ланок). Коефіцієнт згладжу-вання багатоланкового фільтра дорівнює добутку коефіцієнтів згладжування ланок. Прикладом багатоланкового фільтра може бути П-по-дібний CLC-фільтр, зображений на рис. 6.8,б.
Він являє собою послідовне вмикання ємнісного фільтра і Г-подіб-ного LC-фільтра.
Для забезпечення високих масогабаритних показників за малої потужності застосовують активні фільтри, у яких дія реактивних елементів посилюється транзисторними або операційними підсилювачами.
5.5. Компенсаційний стабілізатор напруги
Стабілізатори призначені для підтримання значення напруги на навантаженні випрямляча на незмінному рівні при змінах напруги мережі, опору навантаження у заданих межах і дії інших дестабілізуючих факторів.
Стабілізатори поділяються на параметричні, де використовується ефект незмінності напруги в деяких видах електронних приладів при зміні струму, що протікає через них, (наприклад, стабілітрон), і компенсаційні, у яких стабілізація забезпечується за рахунок замкненої автоматичної системи регулювання з негативним зворотним зв’язком, коли, наприклад, опір керованого нелінійного елемента, включеного послідовно або паралельно навантаженню, змінюється за допомогою спеціальної схеми слідкування.
Частіше застосовуються послідовні стабілізатори, як більш економічні. Структурна схема такого стабілізатора зображена на рис. 6.9.
Рис.
6.9 - Структурна схема компенсаційного
стабілізатора
послідовного типу
.
(6.5)
Ефективність роботи стабілізатора визначається коефіцієнтом стабілізації, що дорівнює відношенню відносної зміни напруги на вході стабілізатора до відносної зміни напруги на його виході:
,
(6.6)
де ∆Ud і ∆Uн – абсолютні зміни вхідної і вихідної напруг відповідно.
Одна з можливих схем компенсаційного стабілізатора наведена на рис. 6.10.
Рис.
6.10 - Компенсаційний стабілізатор
послідовного типу з регульованою
вихідною напругою
Елементи R2 і VD1, що являють собою параметричний стабілізатор, є джерелом опорної (еталонної) напруги Uоп.
Резистори R3 і R4 утворюють дільник вихідної напруги, що є джерелом напруги зворотного зв'язку UЗЗ.
Транзистор VT2 є пристроєм порівняння і підсилювачем сигналу неузгодженості, що дорівнює різниці напруг UЗЗ і Uоп.
Працює стабілізатор наступним чином.
Наприклад, при збільшенні Ud = Uвх починає збільшуватися Uн, а виходить, і UЗЗ. Це призводить до збільшення напруги розузгодження
,
(6.7)
транзистора, що є керуючим для, VT2. Через це VT2 сильніше відкривається, збільшується його колекторний струм IK2 і більша частина струму I1, що тече через резистор R1, відгалужується у VT2. Струм бази транзистора VT1
(6.8)
зменшується і транзистор VT1 призакриваєтся, тобто падіння напруги на ньому UКЕ = UРЕ збільшується. У результаті, напруга на навантаженні згідно з (6.6) наближається до попереднього значення.
При зменшенні Ud відбуваються зворотні процеси, що також змушує Uн повернутися до попереднього значення.
Напруга на навантаженні визначається значенням еталонної напруги Uоп і може регулюватися зміною напруги UЗЗ при використанні, наприклад, у якості R4 резистора змінного опору.
У наш час широко поширені стабілізатори у інтегральному виконанні. Крім елементів, що забезпечують стабільність вихідної напруги, вони містять також елементи захисту від перевантаження, короткого замикання та перегріву корпусу.
Рис.
6.11 – Зовнішні характеристики випрямлячів
Через наявність опору обмоток трансформатора R'т (у розрахунках приводиться до вторинної сторони), опору провідників, що з’єднують елементи, Rпр і опору діодів Rд вихідна напруга випрямляча знижується зі збільшенням струму навантаження.
Це відображає зовнішня характеристика випрямляча:
,
(6.9)
де UdXX – середнє значення випрямленої напруги у режимі холостого ходу;
Id – середнє значення струму навантаження.
Зовнішні характеристики випрямлячів різного типу наведено на рис 6.11.
5.6. Керований випрямляч
Можливість зміни постійної напруги на навантаженні за необхідним законом або стабілізація її значення може бути реалізована за допомогою керованих випрямлячів, що будуються на вентилях, які дозволяють за сигналами керування змінювати свої параметри, наприклад, на тиристорах.
Тиристором називають багатошаровий електронний прилад, який може знаходитися у двох станах: закритому і відкритому.
Перевести тиристор із закритого стану у відкритий можна, пропустивши по колу керуючий електрод – катод струм керування iкер за наявності на тиристорі прямої напруги. За рахунок дії внутрішнього позитивного зворотного зв'язку достатній для відкривання тиристора час протікання струму керування складає мікросекунди.
З відкритого стану у закритий тиристор переходить, якщо до нього на деякий час (сотні мікросекунд) прикласти зворотну напругу або зменшити струм, що протікає через нього, нижче значення, називаного струмом утримання. Струм у колі керування при цьому повинен бути відсутнім.
Принцип дії керованого випрямляча розглянемо на прикладі однофазного випрямляча з нульовим виводом, схема і часові діаграми, що пояснюють його роботу, зображені на рис. 6.12.
Принцип регулювання полягає у задаванні регульованої затримки на вмикання тиристорів випрямляча відносно моменту природного переходу напруги мережі живлення через нуль. Ця затримка вимірюється кутом α, що називається кутом керування.
Тиристори VS1 і VS2 за допомогою схеми керування СК по черзі підмикають навантаження до півобмоток трансформатора TV.
При α = 0 маємо нерегульований режим;
при α = π тиристор закритий і Ud = 0;
при 0 < α < π напруга на навантаженні становить
.
(6.10)
Таким чином, змінюючи значення α, регулюють середнє значення вихідної напруги Ud.
Рис.
6.12 - Однофазний
двопівперіодний
керований випрямляч
з нульовим виводом (а) та часові
діаграми його роботи (б)
Рис.
6.13 –
Регулювальна
характеристика
керованого
випрямляча
Керовані випрямлячі на тиристорах безінерційні, мають високий к.к.д. (тому що на відміну, наприклад, від компенсаційного стабілізатора надлишок потужності при регулюванні не виділяється на регулюючому елементі у вигляді тепла, а просто не береться з мережі), добре працюють у автоматичному режимі при керуванні від зовнішніх пристроїв.
Їхнім недоліком є значне викривлення форми вихідної пульсуючої напруги, що веде до збільшення габаритів і маси фільтрів і вимагає додаткового встановлення вхідних фільтрів для виключення впливу на мережу живлення за рахунок імпульсного споживання струму.
Керовані випрямлячі застосовуються для створення потужних регульованих джерел постійної напруги, що використовуються для різних цілей: стабілізаторів, терморегуляторів, світлорегуляторів, регуляторів швидкості обертання електродвигунів постійного струму і т.п.
Контрольні запитання
Вкажіть призначення і склад випрямляча.
Назвіть схеми випрямлення, що досліджуються у даній роботі, і поясніть принцип дії кожної з них.
Проведіть порівняльний аналіз однофазних схем випрямлення.
Вкажіть призначення, основні параметри й види згладжуючих фільтрів.
Наведіть схему і поясніть принцип дії індуктивного фільтра.
Наведіть схему і поясніть принцип дії ємнісного фільтра.
Наведіть схему і поясніть принцип дії Г-подібного LC-фільтра.
Вкажіть призначення стабілізаторів напруги і поясніть принцип роботи параметричного і компенсаційного стабілізаторів.
Наведіть схему компенсаційного стабілізатора напруги і поясніть принцип його дії.
Поясніть, що показує зовнішня характеристика випрямляча і як впливає на її вид склад випрямляча?
Поясніть, що таке тиристор, яким чином здійснюють керування ним.
Наведіть схему і поясніть принцип дії керованого випрямляча.
Поясніть, що показує регулювальна характеристика регульованого випрямляча і який вигляд вона має.
Поясніть, у чому полягає відмінність принципів регулювання вихідної напруги в компенсаційному стабілізаторі й у регульованому випрямлячі.
ЛІТЕРАТУРА
1. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемо-техніка: Підручник / За ред. А.Г. Соскова - К.: Каравела, 2006. - 384 с. –
пп. 2.6, пп. 9.1-9.4, пп. 9.6-9.13.
Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб. / За ред. А.Г. Соскова. 2-е вид. - К.: Каравела, 2004. - 432 с. (та інші видання цього посібника) -
пп. 2.6, пп. 9.1-9.4, пп. 9.6-9.13.
3. Руденко В.С., Сенько В.И., Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники. – К.: Вища школа, 1985, с. 274-281, 293.
4. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. – М.: Высш. школа, 1982, с. 287-314.
5. Горбачов Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. – М.: Енергоатомиздат, 1988, с. 189-210, 215-218.
6. Красько А.С., Скачко К.Г. Промышленная электроника. – Минск: Вишейшая школа, 1984, с. 167-173, 177-185, 187-190, 193-94.
Лабораторна робота №7 дослідження трифазних випрямлячів і однофазного автономного інвертора
1. МЕТА РОБОТИ
Дослідження трифазних схем випрямлення.
Дослідження однофазного автономного інвертора струму.
2. ОБЛАДНАННЯ
Стенд лабораторний №7.
Осцилограф C1-68.
3. ЗМІСТ РОБОТИ
Дослідити трифазну схему випрямлення з нульовим виводом (схему Міткевича) при роботі на активне навантаження.
Дослідити трифазну мостову схему випрямлення (схему Ларіонова) при роботі на активне навантаження.
Дослідити однофазний автономний інвертор струму з нульовим виводом при роботі на активне навантаження.
4. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
4.1. Ознайомитись з робочим місцем і приладами.
4.2. Ввімкнути осцилограф і живлення стенда лабораторного.
4.3. Дослідження схеми Міткевича
4.3.1. Дослідження виконувати за допомогою схеми, наведеної на рис. 7.1 (мнемосхема на лівій половині стенда лабораторного).
Перемикач „Род работы” встановити у положення „Сх. Миткевича”.
4.3.2. Зняти дані для побудови зовнішньої характеристики випрямляча і розрахунку його параметрів. Для цього тумблери SB1-SB8 „Нагрузка” встановити у відключене положення. після чого, переводячи тумблери у ввімкнене положення згідно з табл. 7.1, збільшувати струм навантаження від нуля до максимального значення. Показання вимірювальних приладів, встановлених на лицьовій панелі стенда лабораторного, занести у табл. 7.1.
Рис.
7.1 – Схема для дослідження трифазного
випрямляча з нульовим
виводом (схеми міткевича)
Таблиця 7.1 – Експериментальні дані схеми Міткевича
Кількість ввімкнених тумблерів |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
U2, B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ud, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I1, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I2, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iа, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Id, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примітка. У табл. 7.1 позначені:
U2 – діюче значення фазної напруги на вторинній обмотці трансформатора (вимірюється вольтметром PV1);
Ud – середнє значення напруги на навантаженні випрямляча (вимірюється вольтметром PV2);
I1 – діюче значення лінійного струму первинної обмотки трансформатора (вимірюється амперметром PA1);
I2 – діюче значення фазного струму вторинної обмотки трансформатора (вимірюється амперметром РА2);
Iа – середнє значення струму через діод (вимірюється амперметром РА3);
Id – середнє значення струму навантаження (вимірюється амперметром РА4).
4.3.3. Зняти осцилограми напруг і струмів у схемі випрямляча (перемикач вибору виду синхронізації осцилографа встановити у положення „Сеть”, тут і надалі при виконанні дослідів органи керування осцилографа встановлювати у положення, що забезпечують спостереження стійкого, зручного для вимірів зображення):
фазної напруги на вторинній обмотці трансформатора, підімкнувши сигнальний кабель осцилографа нульовим проводом до клеми Х6, а сигнальним – до Х3 (перемикач осцилографа „Усилитель Y” встановити орієнтовно у положення „1 В/см”, а множник підсилення по вертикалі задати рівним „х10”);
напруги на навантаженні, підімкнувши кабель осцилографа до клем Х7 і Х8 відповідно;
напруги на діоді – клеми Х5 і Х4 відповідно;
струму вторинної обмотки трансформатора – клеми Х4 і Х3 відповідно (перемикач осцилографа „Усилитель Y” встановити орієнтовно у положення „10 мВ/см”, бо як датчики струму використовуються шунти – у даному випадку це резистор R2 з опором у десяті долі ома);
струму навантаження – клеми Х6 і Х7 відповідно.
4.4. Дослідження схеми Ларіонова
Рис.
7.2 – Схема для дослідження трифазного
мостового випрямляча
(схеми Ларіонова)
4.4.2. Зняти дані для побудови зовнішньої характеристики випрямляча і розрахунку його параметрів відповідно до методики пп. 4.3.2. Показання вимірювальних приладів занести в таблицю, аналогічну табл. 7.1.
4.4.3. Зняти осцилограми напруг і струмів у схемі випрямляча аналогічно методиці пп. 4.3.4, підмикаючи нульовий і сигнальний проводи сигнального кабелю осцилографа відповідно до клем:
1) X6-Х3 (фазна напруга);
2) Х8-Х5 (напруга на навантаженні);
3) Х5-Х4 (напруга на діоді);
4) Х4-Х3 (струм вторинної обмотки);
5) Х7-Х8 (струм навантаження).
Рис.
7.3 – Схема для дослідження однофазного
автономного інвертора струму
4.5.1. Дослідження робити за допомогою схеми, зображеної на рис. 7.3 (нижня мнемосхема на правій половині лицьової панелі стенда лабораторного). Перемикач „Род работы” встановити у положення „Инвертор”.
4.5.2. Зняти осцилограми напруг і струму в схемі інвертора, підмикаючи нульовий і сигнальний проводи сигнального кабелю осцилографа відповідно до клем (перемикач вибору виду синхронізації осцилографа встановити у положення „Внутр.”):
1) Х4-Х3 – імпульси керування тиристора VS1 (перемикач осцилографа „Усиление Y” встановити орієнтовно у положення „0,2 В/см”, а масштаб – „х10”);
2) Х1-X2 – імпульси керування тиристора VS2;
3) Х8-Х7 – напруга на навантаженні (перемикач „Усиление Y” – орієнтовно у положенні „1 В/см”);
4) X6-Х5 – напруга на комутуючому конденсаторі („Усиление Y”– „2 В/см”);
5) X1-Х5 – напруга на тиристорі VS2;
6) Х4-X1 – струм через тиристор VS2 („Усиление Y” – орієнтовно „20 мВ/см”).
4.6. Виключити осцилограф і живлення стенда лабораторного.
Навести порядок на робочому місці.
4.7. Обробка результатів експериментів
4.7.1. За даними таблиць пп. 4.3.2 і пп. 4.4.2 в одній системі координат побудувати зовнішні характеристики випрямлячів Ud = f(Id). Зробити висновки про значення і характер зміни напруги.
4.7.2. За даними пп. 4.3.2 і пп. 4.4.2 виконати розрахунки і результати занести у табл. 7.2. Виконати порівняльний аналіз показників трифазних схем випрямлення.
4.7.3. Осцилограми напруг і струмів для кожного випрямляча розташувати одну під одною з урахуванням орієнтації відносно фазної напруги на вторинній обмотці трансформатора, а для інвертора – відносно імпульсів керування тиристора VS1.
4.7.4. Для кожного випрямляча за осцилограмами зробити висновок про значення вихідної напруги і частоту її пульсацій, про максимальне значення зворотної напруги на діоді, форму струму вторинної обмотки трансформатора.
4.7.5. Для інвертора за осцилограмами зробити висновок про форму вихідної напруги, струму через тиристор, напруги на комутуючому конденсаторі.
Таблиця 7.2 – Результати розрахунку показників
трифазних схем випрямлення
Схема випрямлення |
Відношення |
Кількість увімкнених тумблерів |
|||
0 |
2 |
4 |
8 |
||
Міткевича |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ларіонова |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. ПОЯСНЕННЯ ДО РОБОТИ
5.1. Трифазні схеми випрямлення
Для живлення навантажень середньої і великої потужності використовують трифазні схеми випрямлення, що порівняно з однофазними мають ряд переваг: суттєво нижчий коефіцієнт пульсацій, а отже більш ефективне використання згладжуючих фільтрів, ефективне використання габаритної потужності трансформатора, краще використання вентилів за струмом.
Найрозповсюдженішими з трифазних схем випрямлення є однопівперіодна з нульовим виводом (схема Міткевича) та двопівперіодна мостова (схема Ларіонова).
5.1.1. Схема Міткевича
Схема Міткевича і часові діаграми, що пояснюють її роботу, зображені на рис. 7.4.
Рис.
7.4 – Трифазна схема з нульовим виводом
(схема Міткевича)
Аноди вентилів у даному разі підімкнені до виводів вторинної обмотки трансформатора, а катоди з’єднані разом і утворюють позитивний полюс випрямляча. Негативним полюсом є нульовий вивід трансформатора (див. рис. 7.4, а).
В результаті, у кожен момент часу через навантаження протікає струм, що визначається фазою з найбільш позитивною напругою.
Як видно з часових діаграм, зображених на рис. 7.4, б, напруга на навантаженні ud і струм, що протікає через неї, id мають пульсуючий характер. Частота пульсації випрямленої напруги у три рази перевищує частоту мережі: f(1) = 3fм.
Недоліком схеми Міткевича є наявність постійного підмагнічування магнітопроводу трансформатора. Воно зумовлене тим, що, як і у будь-якої однотактної схеми, вторинною обмоткою трансформатора струм за період протікає лише один раз і у одному напрямку, тобто має постійну складову. Це вимагає використання трансформатора із підвищеним перерізом магнітопроводу – з завищеною габаритною потужністю.
Кожний діод у цій схемі працює одну третину періоду, тому середній струм через нього Iа складає третину значення середнього випрямленого струму навантаження Id.
У закритому стані потенціал анода діода у кожен момент часу визначається напругою своєї фази, а потенціал катода – напругою фази, що живить навантаження, тобто до нього прикладається лінійна напруга, максимальне значення якої становить:
.
(7.1)
Основні параметри схеми Міткевича при роботі на активне навантаженні наведені у табл. 7.3.
5.1.2. Схема Ларіонова
Схема Ларіонова і часові діаграми, що пояснюють її роботу, зображені на рис. 7.5.
Первинна і вторинна обмотки трансформатора у цій схемі можуть з’єднуватися як у зірку, так і в трикутник. Тут шість випрямних діодів, увімкнених в трифазну мостову схему, утворюють дві групи: анодну (VD1, VD2, VD3) і катодну (VD4, VD5, VD6) – див. рис. 7.5,а.
Навантаження вмикається між спільними точками анодної і катодної груп діодів. Можна виділити три однофазних мости, підімкнених до відповідних лінійних вторинних напруг і паралельно до навантаження.
В провідному стані у схемі Ларіонова завжди знаходяться два діоди: один із анодної групи і один з катодної. Струм протікає від фази з найбільш позитивною на даний момент напругою до фази із найбільш негативною напругою. Тобто, як видно з рис. 7.5, б, потенціал з’єднаних катодів (плюс випрямляча) змінюється за верхньою огинаючою синусоїд, а потенціал з’єднаних анодів (мінус випрямляча) – за нижньою. Отже, струм навантаження у даній схемі тече під дією лінійної напруги.
б)
а)
Частота пульсації випрямленої напруги більша за частоту мережі у шість разів: f(1) = 6fм.
Амплітуда пульсацій тут значно менша, ніж у розглянутих раніше схемах випрямлення (складає менш за 6 %).
У цій схемі відсутнє підмагнічування магнітопроводу трансформатора, оскільки у вторинному колі кожної з його обмоток за період напруги мережі струм протікає двічі, причому у різних напрямках.
Зворотна напруга на діоді, як і у схемі Міткевича, дорівнює лінійній, а струм через діод також протікає протягом третини періоду.
Основні параметри схеми Ларіонова наведені у табл. 7.3.
Схема Ларіонова у порівнянні зі схемою Міткевича має такі переваги:
1) краще використовується трансформатор за потужністю за рахунок відсутності підмагнічування осердя;
2) за рівних фазних напруг середнє значення випрямленої напруги приблизно у два рази вище (потрібно задавати меншу кількість витків вторинних обмоток трансформатора);
Таблиця 7.3 – Основні параметри трифазних схем випрямлення
Параметр |
Схема випрямлення |
||
Міткевича |
Ларіонова |
||
Відношення діючого значення напруги вторинної обмотки трансформатора до середнього значення випрямленої напруги |
|
0,855 |
0,43 |
Відношення діючого значення струму вторинної обмотки до середнього значення випрямленого струму |
|
0,59 |
0,82 |
Відношення середнього значення струму діода до середнього значення випрямленого струму |
|
0,33 |
0,33 |
Відношення діючого значення струму первинної обмотки трансформатора до середнього значення випрямленого струму (n - коефіцієнт трансформації) |
|
0,48 |
0,82 |
Частота основної гармоніки пульсацій |
|
3 |
6 |
Коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги |
|
0,25 |
0,057 |
Габаритна потужність трансформатора |
|
1,67 Pd |
1,05 Pd |
Наявність підмагнічування |
– |
є |
немає |
3) більш низький коефіцієнт пульсацій, що часто дозволяє використовувати схему Ларіонова без фільтра.
Правда кількість діодів у схемі Ларіонова удвічі більша, але на даний час це несуттєво, оскільки вартість діодів незначна порівняно з вартістю трансформатора, що у схемі Міткевича повинен бути приблизно на 60 % потужнішим.
5.2. Автономні інвертори
5.2.1. Автономні інвертори – це пристрої, що працюють на автономне навантаження і призначені для перетворення напруги постійного струму у напругу змінного струму заданої або регульованої частоти.
Основні області застосування автономних інверторів:
1) живлення споживачів змінного струму, коли єдиним джерелом живлення є джерело напруги постійного струму (акумуляторна батарея, сонячна батарея і т.п.);
2) робота у системах гарантованого електропостачання при зникненні напруги мережі живлення (живлення ЕОМ, вузлів зв’язку, елементів захисту на електростанціях, обладнання реакторів АЕС і т.п.);
3) живлення технологічного устаткування, частота напруги якого відрізняється від промислової частоти (наприклад, становить 400 Гц);
4) перетворення постійної напруги одного рівня у постійну напругу іншого рівня (конвертування напруг);
5) керування швидкістю обертання асинхронних електродвигунів (регульований електропривід).
Комутаційними елементами в автономних інверторах є силові електронні ключі, наприклад, тиристори.
Залежно від специфіки електромагнітних процесів розрізняють інвертори напруги (АІН) та інвертори струму (АІС). Є також резонансні інвертори.
АІС підкмикаються до джерела живлення, як показано на рис. 7.6,а, через дросель з великою індуктивністю: комутація ключів здійснюється тут при незмінному струмі. АІС формує у навантаженні струм, а форма напруги залежить від виду навантаження.
Рис.
7.6 – Автономні інвертори струму (а) та
напруги (б)
а)
б)
АІС є непрацездатним при роботі у режимі холостого ходу, оскільки при цьому в ньому виникають значні перенапруги.
В АІН джерело постійної напруги, як показано на рис.7.6,б, шунтується конденсатором великої ємності, завдяки чому виключається вплив внутрішнього опору джерела. Перемикання ключів, у результаті, здійснюється при незмінній напрузі.
АІН формує на навантаженні напругу, а форма струму залежить від виду навантаження.
За допомогою системи керування (на рисунках не показана) здійснюється почергове вмикання пар ключових елементів, що забезпечує протікання через навантаження знакозмінного струму.
Через те, що тиристор відновлює запираючі властивості тільки після припинення протікання через нього струму, виникає проблема вимикання тиристорних ключів постійного струму. Вона розв’язується застосуванням схем (вузлів) примусової комутації, у яких зазвичай використовуються попередньо заряджені конденсатори.
Рис.
7.7 - Однофазний інвертор струму
з
трансформаторним виходом
У
якості перемикачів тут використано
тиристори VS1
і VS2.
Трансформатор ТV
з коефіцієнтом трансформації n
=
має первинну обмотку, що містить дві
пів-обмотки з однаковою кіль-кістю
витків, і вторинну обмотку, до якої
підімкнено навантаження.
Дросель L забезпечує незмінність струму від дже-рела у моменти перемикання тиристорів.
Примусове запирання тиристорів забезпечує комутуючий конденсатор Ск.
Керування тиристорами здійснює схема керування СК (наприклад, симетричний мультивібратор у автоколивальному режимі).
Рис.
7.8 - Часові діаграми роботи
однофазного
інвертора струму
Працює інвертор наступним чином.
1) СК подає імпульс вмикання тиристора VS1.
2) Тиристор вмикається і напруга джерела живлення подається на ліву півобмотку трансформатора.
3) Під впливом зазначеної напруги магнітопровід трансформатора намагнічується і в іншій півобмотці, а також у вторинній обмотці трансформується напруга з полярністю, вказаною без дужок. На навантаженні формується позитивна півхвиля напруги.
4)
Конденсатор Ск,
підімкнений паралельно до первинної
обмотки трансформатора, заряджається
до напруги 2Uдж
через опір, що дорівнює опору навантаження,
приведеному до первинної сторони
.
5) Після закінчення проміжку часу, що відповідає позитивній півхвилі, СК вмикає тиристор VS2.
6) Комутуючий конденсатор Ск через VS2 підмикається паралельно до VS1. Полярність напруги на Ск є такою, що вимикає VS1, а ємність повинна бути достатньою для відведення струму від тиристора на час вимикання.
7) Напруга джерела живлення через VS2 прикладається до правої півобмотки трансформатора і його магнітопровід перемагнічується у протилежному напрямку. На навантаженні формується негативна півхвиля напруги, конденсатор Ск перезаряджається з полярністю, вказаною у дужках.
8) Після закінчення тривалості наступного півперіоду СК вмикає VS1, a VS2 запирається і т.д.
Таким чином, форма напруги на навантаженні (активному в даному випадку) визначається формою напруги на комутуючому конденсаторі і залежить від його ємності та опору навантаження. Зі збільшенням опору навантаження стала часу заряду конденсатора збільшується і форма напруги на ньому наближається до трикутної. Її амплітуда при цьому збільшується (при збереженні середнього за півперіод значення напруги). В результаті, при холостому ході за відсутності втрат у елементах пристрою напруга на навантаженні та конденсаторі безмежно (теоретично) зростає – джерело струму намагається підтримувати значення струму незмінним. Це може призвести до виходу з ладу елементів інвертора.
Контрольні запитання
Наведіть схему і поясніть принцип дії трифазного випрямляча з нульовим виводом (схеми Міткевича).
Наведіть схему і поясніть принцип дії трифазної мостової схеми (схеми Ларіонова).
Покажіть, як протікає струм у довільний момент часу в схемі Міткевича і у схемі Ларіонова.
Поясніть форму зворотної напруги на діоді трифазних схем випрямлення.
Поясніть форму напруги на навантаженні трифазних схем випрямлення.
Поясніть форму струму в навантаженні трифазних схем випрямлення.
Виконайте порівняльний аналіз схем Міткевича і Ларіонова, поясніть, чому саме ці схеми переважно використовують для живлення навантажень середньої і великої потужності.
Поясніть призначення і принципи будови автономних інверторів.
Поясніть, як за допомогою інвертора можна перетворити постійну напругу одного рівня у постійну напругу іншого рівня.
Наведіть схему АІС з нульовим виводом і поясніть її роботу.
Поясніть процес комутації тиристорів у АІС з нульовим виводом.
ЛІТЕРАТУРА
1. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемо-техніка: Підручник / За ред. А.Г. Соскова - К.: Каравела, 2006. - 384 с. –
пп. 10.1, пп. 10.3, розділ 11.
2. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб. / За ред. А.Г. Соскова. 2-е вид. - К.: Каравела, 2004. - 432 с. (та інші видання цього посібника) -
пп. 10.1, пп. 10.3, розділ 11.
3. Руденко В.С., Сенько В.И., Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники. – К.: Вища школа, 1985, с. 274-276, 294-295, 299-310, 355-365, 374-385.
4. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. – М.: Высш. школа, 1982, с. 315-317, 331-337, 438-442, 452-466.
5. Горбачов Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. – М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 212-215, 227-236, 296, 303-311.
6. Красько А.С., Скачко К.Г. Промышленная электроника. – Минск: Вишейшая школа, 1984, с. 167-168, 173-177, 195-196, 199-201.
ДОДАТОК А